基于PSR模型的吳起縣耕地生態(tài)安全評價

汪 洋

(長安大學土地工程學院，陜西 西安 710061)

耕地自古以來就是人類賴以生存和發(fā)展的基本保障。2022年中央一號文件頒布，繼續(xù)聚焦三農問題，文件明確指出，牢牢守住保障國家糧食安全和不發(fā)生規(guī)模性返貧兩條底線[1]。無論經(jīng)濟如何發(fā)展，農業(yè)都是國民經(jīng)濟基礎，耕地更是中國社會穩(wěn)定發(fā)展的“壓艙石”，耕地生態(tài)安全是國民經(jīng)濟發(fā)展的重中之重。而吳起縣作為中國全面小康成長型百佳縣之一，在整個延安市社會經(jīng)濟發(fā)展中有著重要地位，該區(qū)域地處黃土高原，水土流失嚴重，長期以油氣工業(yè)作為經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)，加之各類企業(yè)環(huán)保意識淡薄，使得耕地遭受油泥污染，數(shù)量質量下降。因此，如何科學評價耕地生態(tài)安全，準確把握耕地生態(tài)安全狀態(tài)是吳起縣可持續(xù)發(fā)展的重要目標，是做好國土空間規(guī)劃、鄉(xiāng)村振興的重要基礎，對吳起縣經(jīng)濟發(fā)展和資源環(huán)境保護具有重要作用。

目前，耕地生態(tài)安全評價在國內的研究主要分為理論研究和方法研究2個方面：理論研究方面主要成果從其概念、內涵、基本原則、基本理論到指標、指標體系等多角度都進行了探討；方法研究方面主要有BP神經(jīng)網(wǎng)絡法、PSR及其改進模型等。王萬茂教授作為中國土地事業(yè)的先驅，早在2001年就提出耕地生態(tài)有關于農作物的生長環(huán)境，耕地生態(tài)保護就是保護耕地生態(tài)系統(tǒng)結構和功能[2]。南京農業(yè)大學匡麗花認為，就是保障糧食和生態(tài)安全，即通過保護耕地生態(tài)系統(tǒng)結構和功能來實現(xiàn)糧食安全[3]。吳大放等學者將耕地生態(tài)安全視為耕地數(shù)量質量和生態(tài)環(huán)境的綜合體[4]。黃輝玲、吳次芳等學者通過采用五元分析法的關聯(lián)函數(shù)以及集成模型建立了土地生態(tài)安全評價體系[5]。劉亞男等在縣域做耕地生態(tài)安全評價并改進權重計算方法[6]。吳利利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡和GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡在土地生態(tài)安全評價中的測試其可行性[7]。國外的研究主要體現(xiàn)在評價方式上面，如計算污染負荷指數(shù)、生態(tài)風險指數(shù)等，通過編程語言、遙感等技術進行土地生態(tài)安全評價。Golam Rasul等在環(huán)境穩(wěn)定性、經(jīng)濟可行性和社會可接受性等方面做了研究，發(fā)現(xiàn)生態(tài)農業(yè)更具有可持續(xù)性，能夠節(jié)約資源，帶來更大經(jīng)濟效益[8]。在此之后，MirzaeiMohsen采用采用污染因子(Cf)、污染負荷指數(shù)(PLI)和生態(tài)風險指數(shù)(economic risk index)對重金屬(Cu、Zn、Pb、Cr、Cd)含量進行調查，并對區(qū)域土地生態(tài)風險進行評價[9]。綜合來看，耕地生態(tài)安全評價的研究趨勢可分為3個方面：在研究方法方面，綜合利用PSR及其改進模型、能值分析法等已成熟的方法，實現(xiàn)區(qū)域耕地生態(tài)安全評價，并構建預警系統(tǒng)，做好耕地生態(tài)安全性預測，劃定安全級別；在尺度方面，需要將關注重點轉移到縣域、鎮(zhèn)域等小范圍，由于耕地生態(tài)安全影響因素眾多，評價范圍過大會導致尺度籠統(tǒng)，標準不明，小范圍更適宜做耕地生態(tài)安全評價，盡可能提高指標選取的科學性和數(shù)據(jù)獲取的可行性，從而建立合適的評價指標體系；在理論研究方面，需要廣泛結合土地生態(tài)安全、生態(tài)安全以及可持續(xù)發(fā)展等理論，從而明確耕地生態(tài)安全的概念內涵，為耕地生態(tài)安全評價的研究指明方向。

1 研究區(qū)概況

吳起縣隸屬于陜西省延安市，位于延安市西北部，西北鄰定邊縣，東南接志丹縣，東北邊靖邊縣，西南毗鄰甘肅華池縣。地處E107°38′57″～108°32′49″，N36°33′33″～37°24′27″。南北長93.4km，東西寬79.89km，總面積3791.5km2。全縣屬黃土高原梁狀丘陵溝壑區(qū)，海拔在1233～1809m，處于中緯度，屬半干旱溫帶大陸性季風氣候，年平均降雨量483.4mm。晝夜溫差大、季節(jié)性氣溫差異也大，氣溫由地勢較低的東南部向地勢較高的西北逐漸降低，冬季易形成凍土，第2年4月初開始解凍，但又進入黃土崩塌、滑坡災害易發(fā)期?？h域內河流均屬黃河水系，干流深切，支流密布，境內河網(wǎng)密度大，含沙量普遍很高，一般暴雨后短期內會形成高濃度的泥石流，流水侵蝕活躍，谷坡、溝坡崩塌、滑坡較為普遍，溝頭溯源侵蝕及溝谷下切強烈，水土流失嚴重。截至2020年末，吳起縣有常住人口14.59萬人，城鎮(zhèn)化率達63.63%，生產(chǎn)總值達150.13億元，人均生產(chǎn)總值102408元，全體居民人均可支配收入27035元，城鎮(zhèn)居民人均可支配收入38165元，農村居民人均可支配收入13045元，是一個城鎮(zhèn)化加速發(fā)展的地區(qū)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究區(qū)數(shù)據(jù)主要來源于《中國統(tǒng)計年鑒》、2010—2020年延安市統(tǒng)計年鑒、《中國農村統(tǒng)計年鑒》、吳起縣“十三五”發(fā)展公報、吳起縣水文監(jiān)測站數(shù)據(jù)和吳起縣簡介等。另外，部分數(shù)據(jù)來源于2020年吳起縣國土變更調查等數(shù)據(jù)。

2.2 評價方法

2.2.1 耕地生態(tài)安全評價模型

PSR模型是由聯(lián)合國OECD和UNEP提出的，最初基于因果關系建立，是指由于人類活動對生態(tài)環(huán)境造成壓力(P)，使得生態(tài)環(huán)境結構功能改變，呈現(xiàn)出一種不良狀態(tài)(S)，為了改善這種狀態(tài)，人類采取政策措施防止生態(tài)環(huán)境繼續(xù)惡化(R)。在PSR壓力-狀態(tài)-響應體系中，“P”是指人類生活和消費模式對當?shù)馗厣鷳B(tài)安全所施加的壓力，“S”是指耕地生態(tài)系統(tǒng)在可持續(xù)發(fā)展過程中所呈現(xiàn)出的狀態(tài)，“R”是指面對現(xiàn)有的耕地生態(tài)安全狀態(tài)所采取的一系列政策措施。整個邏輯體系不僅能反映自然因素對生態(tài)安全的影響，更能體現(xiàn)人類生產(chǎn)發(fā)展在環(huán)境保護中的作用關系。本文選用PSR模型將影響研究區(qū)耕地生態(tài)安全的因素分為壓力、狀態(tài)、響應3個方面，從而建立針對研究區(qū)的評價指標體系。PSR模型在具體應用中，根據(jù)不同的研究目的，選擇一系列影響因素構建指標體系，能夠清楚反映各指標對耕地生態(tài)安全值的影響，有利于把握研究區(qū)整體耕地生態(tài)安全值變化趨勢，作出綜合的、科學的評價，為后期分析障礙因素、調整土地利用狀態(tài)提供有效參考依據(jù)。因此本文依據(jù)PSR模型形成原理及其基礎理論，結合耕地生態(tài)安全評價指標的選取原則以及研究區(qū)特點，建立吳起縣耕地生態(tài)安全評價指標體系是可行的。

圖1 PSR模型作用原理圖

2.2.2 評價指標體系

本文結合研究區(qū)現(xiàn)狀，以PSR模型為基礎，建立起吳起縣耕地生態(tài)安全評價指標體系，研究2010—2020年吳起縣耕地生態(tài)安全的變化特征。PRS模型能夠反映系統(tǒng)壓力、狀態(tài)、響應3個環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系與影響關系：在該模型中壓力指標“P”代表不合理的人類活動對耕地生態(tài)安全造成的影響；狀態(tài)指標“S”代表發(fā)展過程中耕地生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)；響應指標“R”代表人類為改善生態(tài)環(huán)境，緩解生態(tài)壓力所做的一系列工作。

壓力(P)方面，城鎮(zhèn)化水平逐漸提高、吳起縣人口數(shù)量持續(xù)增長、農藥化肥使用量的變化對當?shù)馗厣鷳B(tài)系統(tǒng)壓力指數(shù)帶來的影響；狀態(tài)(S)方面，吳起縣耕地生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能發(fā)生部分變化，呈現(xiàn)出一種對當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展以及人類生存產(chǎn)生影響的狀態(tài)，如土地墾殖率的增加、第一產(chǎn)業(yè)占GDP比重的增加、沙化土地比例、水土流失比例等的減少對耕地生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)指數(shù)帶來的影響；響應(R)方面，當?shù)毓芾聿块T根據(jù)實際狀況作出積極響應，調整相關土地利用政策，使得耕地生態(tài)安全向全面協(xié)調可持續(xù)的方向前進，為資源可持續(xù)利用奠定良好的生態(tài)基礎。如，農民人均純收入、水土流失治理率的變化對耕地生態(tài)系統(tǒng)響應指數(shù)帶來的影響等。評價指標及其內涵如表1、表2所示。

表1 耕地生態(tài)安全評價指標表

表2 耕地生態(tài)安全評價指標內涵及權重

2.2.3 數(shù)據(jù)的標準化處理

由于影響耕地生態(tài)安全的因素眾多，涉及自然資源、社會經(jīng)濟、生態(tài)保護等各個方面，所選取的各評價指標數(shù)值、單位、數(shù)量級等較為復雜，為避免各指標之間相互影響，需要對評價指標做無量綱化處理。當前土地研究工作中常用的指標標準化處理方法有極差變換法、比例變換法、標準樣本變換法、歸一化法，由于本研究涉及指標有正相關、負相關，極差變換法可以不受指標值正負數(shù)影響，且能夠將正、負向指標最優(yōu)質化為1，最劣值化為0，方便指標權重計算，因此本文選擇極差變化法處理指標，公式如下。

正相關指標計算公式：

(1)

負相關指標計算公式：

(2)

式中，Xij為第i年第j個評價指標數(shù)據(jù)標準化值；xij為第i年第j個評價指標數(shù)據(jù)標準化前的原始值；xijmax為第i年第j個評價指標數(shù)據(jù)最大值；xijmin為第i年第j個評價指標數(shù)據(jù)最小值。

2.2.4 指標權重

層次分析法確定權重時易受個人主觀意見影響，熵值法則會在偶爾有數(shù)據(jù)出現(xiàn)特例差異時，受影響出現(xiàn)與實際不符的偏差。因此本文將層次分析法與熵值法相結合計算綜合權重，采用累乘法計算綜合權重，使結果更加真實可靠。

2.2.4.1 層次分析法

在本次研究中主要利用YAAHP層次分析軟件確定指標權重，通過構造層次結構圖，利用軟件調整判斷矩陣數(shù)值大小，自動求解最大特征根λmax并進行一致性檢驗，計算最終結果。

圖2 YAAHP構建吳起縣層次分析結構圖

2.2.4.2 熵值法確定權重

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，xij為第i年第j個評價指標數(shù)據(jù)標準化前的原始值，i=1,2,…,m,j=1,2,…n,m和n分別代表研究年數(shù)和評價指標總數(shù)量；xijmax為第i年第j個評價指標數(shù)據(jù)最大值；xijmin為第i年第j個評價指標數(shù)據(jù)最小值；k>0,ei>0；ei為第i項指標的熵值；n代表評價指標的數(shù)量。

2.2.4.3 綜合權重

(7)

式中，Cj為綜合權重系數(shù)；W和Sj分別代表層次分析法和熵值法計算所得到的指標權重。確定的權重值如表1所示。

2.2.5 耕地生態(tài)安全綜合指數(shù)

本文利用多因素綜合評價法計算吳起縣耕地生態(tài)安全值，將綜合權重與標準化數(shù)值累乘并求和，得出綜合指數(shù)。計算公式：

(8)

式中，Z代表綜合評價指數(shù)；Xij代表第i年第j個評價指標數(shù)據(jù)標準化值；Cj代表第j個評價指標綜合權重；n代表評價指標總個數(shù)。

2.2.6 耕地生態(tài)安全分級

學界目前已有的研究成果中，經(jīng)常將耕地生態(tài)安全評價結果分為不同的安全等級，在計算出耕地生態(tài)安全綜合指數(shù)后，依據(jù)一定的評價標準將結果分級。但耕地生態(tài)安全并沒有統(tǒng)一的分級標準，因此，本文參照相關研究成果，結合研究區(qū)現(xiàn)狀，將吳起縣耕地生態(tài)安全評價結果按照表3分級方式進行。

表3 吳起縣耕地生態(tài)安全分級評價表

3 結果與分析

根據(jù)表3分級標準，將吳起縣2010—2020年耕地生態(tài)安全狀態(tài)劃分等級，分級結果如表4所示。

表4 吳起縣耕地生態(tài)安全狀況表

3.1 耕地生態(tài)安全壓力系統(tǒng)評價結果及分析

2010—2020年吳起縣耕地生態(tài)安全壓力指數(shù)先上升再下降。其中，2010—2012年耕地生態(tài)安全壓力指數(shù)增加，由2010年的0.0263增長到2012年的0.0351，增長幅度為33.46%，2012年達到最大峰值，2012年以后呈下降趨勢。2010—2012年耕地生態(tài)安全壓力指數(shù)上升的原因是經(jīng)濟發(fā)展使得人口密度和城市化水平增加，而這2項指標的增加使得耕地生態(tài)壓力指數(shù)略有增加，說明人口密度和城市化水平對壓力指數(shù)的影響在2010—2012年起主導作用。2010—2020年，單位耕地面積農藥、化肥使用量逐年下降，分別由2010年的28.37kg·hm-2、209.31kg·hm-2下降到了2020年的10.39kg·hm-2、109.89kg·hm-2，下降幅度為63.38%、47.50%。農藥、化肥使用量的減少能夠有效緩解耕地負荷，保護土壤結構、肥力，提高土壤抗災能力和土壤質量，保障農產(chǎn)品的品質，同時能夠穩(wěn)定土壤微生物的種類數(shù)量，減輕耕地生態(tài)壓力。

3.2 吳起縣耕地生態(tài)安全狀態(tài)系統(tǒng)評價結果及分析

2010—2020年吳起縣耕地生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)略有波動但總體呈增加趨勢。其中，2010—2011年為耕地生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)下降時間段，由0.0129下降到0.0035，降幅為72.87%，2011年達到最小峰值，2011年以后逐年增加，增幅為93.97%。第一產(chǎn)業(yè)占GDP的比重能夠反映吳起縣農業(yè)收入的比重，耕地糧食單產(chǎn)能夠反映耕地產(chǎn)出率，而土地墾殖率則能反映土地開墾程度，這三者與耕地狀態(tài)系統(tǒng)的安全性成正相關，值越大，吳起縣耕地狀態(tài)系統(tǒng)越安全。2010—2012年第一產(chǎn)業(yè)占GDP的比重、耕地糧食單產(chǎn)呈下降趨勢，分別由2010年的2.94%、3547.88kg·hm-2下降到2012年的2.13%、3494.70kg·hm-2，下降幅度分別為27.55%、1.50%，而吳起縣2010—2011年間耕地狀態(tài)指數(shù)也降幅明顯。2011年以后隨著第一產(chǎn)業(yè)占GDP比重、耕地墾殖率的提高，耕地生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)逐年增加。

3.3 吳起縣耕地生態(tài)安全響應系統(tǒng)評價結果及分析

2010—2020年吳起縣耕地響應系統(tǒng)安全指數(shù)總體呈逐年上升趨勢。由2010年的0上升到2020年的0.0635，增長明顯。2010—2020年吳起縣農民人均純收入、水土流失治理率和環(huán)境治理投資占比呈逐年增加趨勢，相比于2010年，農民人均純收入有大幅提升，由2010年的5298元增加到2017年的13045元，增幅為59.39%；水土流失治理率增幅為78.41%；環(huán)境治理投資占比由2010年的0.85%增長到2020年的3.11%，增幅為72.61%。農民人均純收入、水土流失治理率和環(huán)境治理投資占比變化趨勢總體上與耕地生態(tài)安全響應指數(shù)變化趨勢高度吻合，表明這3項指標對吳起縣耕地生態(tài)安全響應指數(shù)具有重要影響作用。進入“十二五”、“十三五”后，吳起縣積極實施省級土地整治項目、縣級土地開發(fā)整理項目等，耕地得到有效保護。隨著生產(chǎn)力發(fā)展，農民人均純收入也逐年提高，農民用于生態(tài)環(huán)境方面的資金更多，耕地響應指數(shù)增加，耕地生態(tài)安全得到全面提升。

3.4 吳起縣耕地生態(tài)安全綜合評價結果及分析

整體來看，吳起縣耕地生態(tài)安全綜合指數(shù)呈逐年上升趨勢，由2010年的不安全Ⅰ(0.0392)狀態(tài)上升為2020年的安全Ⅴ(0.1432)狀態(tài)，綜合指數(shù)升幅為72.63%，說明耕地生態(tài)安全值不斷提高，研究區(qū)耕地生態(tài)環(huán)境質量正得到不斷改善。2010—2020年吳起縣耕地生態(tài)安全綜合指數(shù)變化趨勢和耕地生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)、響應指數(shù)變化趨勢高度吻合，表明響應指數(shù)對吳起縣耕地生態(tài)安全具有重要影響，而狀態(tài)指數(shù)的變化則能客觀反映這種影響對吳起縣耕地生態(tài)安全所產(chǎn)生的結果。由此可知，農民人均純收入、水土流失治理率以及環(huán)境治理投資占比更能影響吳起縣整體耕地生態(tài)安全狀況。2010—2020年農民人均純收入、水土流失治理率以及環(huán)境治理投資占比逐年增加，耕地生態(tài)安全綜合指數(shù)也增長明顯。科學技術快速發(fā)展，政府對環(huán)境保護意識逐漸增強，水土流失治理面積增加，水土流失治理率提高能夠有效增加土壤質量，保障耕地面積。除此之外，國家對“三農”問題的關注以及農民對生態(tài)環(huán)境問題的重視會促使農民人均純收入和環(huán)境治理投資占比提高，進入“十二五”、“十三五”規(guī)劃后，當?shù)卣罅Πl(fā)展特色農業(yè)，實行鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，科學編制“增減掛鉤”專項規(guī)劃，推行城鄉(xiāng)建設用地“增減掛鉤”，緩解耕地后備資源不足壓力，使得耕地生態(tài)安全綜合指數(shù)得到大幅提升。

4 結論與討論

本文利用PSR模型，構建起包含目標層、準則層、因素層、指標層共4個層次15個指標在內的吳起縣耕地生態(tài)安全評價指標體系，采用AHP-熵值法計算綜合權重，利用多因素綜合評價法測算耕地生態(tài)安全綜合值，根據(jù)測算結果進行等級劃分。所得計算結果較為符合吳起縣近年實際發(fā)展狀況，表明“PSR模型-AHP-熵值法-多因素綜合評價法”這一研究方法在耕地生態(tài)安全評價過程中是可行的。

從時間上看，吳起縣2010—2020年耕地生態(tài)安全值逐漸上升，發(fā)展態(tài)勢較好。由2010年的不安全Ⅰ(0.0392)狀態(tài)上升為2020年的安全Ⅴ(0.1432)狀態(tài)，綜合指數(shù)增幅為72.63%。準則層上的耕地生態(tài)安全評價狀況：壓力指數(shù)上下波動，幅度在0.02，總體變化不明顯；狀態(tài)指數(shù)2010—2011年略有下降，2011年以后逐年增大，由不安全Ⅰ(0.0035)增加到較不安全Ⅱ(0.058)；響應指數(shù)逐年增大，由不安全Ⅰ(0)增加到臨界安全Ⅲ(0.0702)。

本文根據(jù)耕地生態(tài)安全指標層、準則層以及障礙度指標層、準則層測算結果及分析，提出了部分耕地生態(tài)安全保護對策：保障城市化與環(huán)保建設共同發(fā)展，注重環(huán)保投資，避免城市化發(fā)展與環(huán)境保護脫節(jié)，為耕地生態(tài)安全帶來不良影響；增加耕地投入，提高土地墾殖率；提高生產(chǎn)技術，減少農藥化肥使用；建立耕地生態(tài)預警監(jiān)測系統(tǒng)，及時防治水土流失。